一種螺桿壓縮機狀態監測與故障診斷系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種螺桿壓縮機狀態監測與故障診斷系統，包括加速度傳感器、轉速傳感器、數據采集卡和PC機；所述的加速度傳感器和轉速傳感器分別通過數據線經數據采集卡連接到PC機上。本實用新型實現了對速度、加速度信號的同步采集，能夠在PC機上實時顯示壓縮機測點的轉速，以及軸向和徑向兩個相互垂直方向的振動加速度信息，得到時域波形、頻域分析等圖譜，形成診斷報告。并且，通過對壓縮機六個測點的信號進行分析，能夠更加準確的獲得其運行狀態報告，從而更有利于診斷其是否出現故障以及判別故障類型。能夠判斷出很多螺桿壓縮機故障信息類型，本實用新型能夠多方面的進行檢測分析。
【專利說明】
一種螺桿壓縮機狀態監測與故障診斷系統
技術領域
[0001] 本實用新型涉及一種螺桿壓縮機，特別是一種螺桿壓縮機的狀態監測與故障診斷 技術。
【背景技術】
[0002] 螺桿式壓縮機又稱為螺桿壓縮機，屬于旋轉機械。其由一對平行、互相嚙合的陰、 陽螺桿構成，均具有凹形齒，兩者相互反向旋轉，是回轉壓縮機中應用最為廣泛的一種。常 見的產品有螺桿式空氣壓縮機、螺桿式制冷壓縮機及螺桿式工藝壓縮機。早在20世紀50年 代，就有了噴油螺桿壓縮機，當時被應用在制冷裝置上。螺桿壓縮機結構簡單，易損器件少， 能夠在較大的壓力差或壓力比的狀況下工作，排氣溫度低，對制冷劑中含有的大量的潤滑 油不敏感，具有良好的輸氣調節特性，能夠被廣泛的應用在冷凍、冷藏、空調和化工工藝等 制冷裝置上。由于其在工業生產等領域應用較為廣泛，也因此得到了快速的發展。
[0003] 由于科學技術的進步，機械工業自動化程度也隨之越來越高，先進的設備采用了 大量的高新技術，因此，對這些設備的安全性和可靠性則具有嚴格的要求。隨之，對此類大 型旋轉機械設備的監測與診斷技術應運而生。故障診斷技術與當代最新的傳感技術、最新 的信號處理技術、非線性原理和方法的相互融合，將虛擬現實技術與實際應用密切結合，從 而促進了監測與診斷的飛速發展。自60年代以來，國內外對此類技術的研究也取得了一定 的成績。比較有名的例如丹麥B&K公司研發的2500系統和3540系統、美國BENTLY公司研發的 ADRE系統、美國WHEC系統、日本三菱MHM系統以及意大利的SMAV監測系統。并且已為國內企 業例如寶鋼、渤海油田、大連石化等配備了大型旋轉機組監測保護系統。在國內，此類監測 技術的發展起步于80年代中期，雖然晚于其他國家，但是發展迅速。目前已經開發出一系列 監測及故障診斷系統，例如"20萬千瓦的汽車發電機組振動監測與故障診斷系統2HX-10"、 "汽輪機發電機組診斷系統"等。
[0004] 此類監測與診斷技術的發展，能夠避免一些不必要的經濟損失和惡性事件的發 生，從而降低機器的故障發生率，減少維修費用和維修周期，以達到提高經濟效益的目的。 因此，這種監測和診斷機制對機械設備的安全性、可靠性以及經濟效益的提高就有了很大 的意義。
[0005] 目前可用于壓縮機類的旋轉機械進行狀態監測和故障診斷的技術方案主要有以 下幾種：
[0006] 1、采用單片機芯片與以太網相結合的方法實現。主要是采用多個單片機系統分別 對振動信號和轉速信號進行采集，通過RS-232連接到上位機，以計算機作為上位機進行分 析處理。
[0007] 2、在1992年，正式給用戶使用的丹麥B&K3540系統，既可以在線監測，也可以進行 離線監測。在線監測過程中，振動信號監測儀2520將在線實時采集的數據發送到振動中心 工作站，二者可通過RS-232、局域網或電話線進行連接;在離線監測時，采用B&K便攜式數據 采集儀，把采集到的數據收回至工作站。在該系統中，所有的分析過程均在上位機實現，下 位機主要完成實時數據的采集。
[0008] 3、中國浙江大學監測技術與智能儀器研究所研發的CMD-3系統，通過RS-232將上 位機與前置機連接進行數據通信。前置機的組成是一個主從計算機式的微型計算機系統， 主要完成數據的采集和部分監測，一分鐘采集一次參數和振動波形數據，能夠獨立工作，并 且在上位機進行數據分析。
[0009] 現有技術存在的問題如下：
[0010] 1、采用單片機和以太網結合的方案，由于采用傳統的單片機芯片，導致系統只能 實現一些簡單數字信號處理和控制。又因為單片機總線結構較為簡單和處理能力較弱的制 約，導致單片機不能滿足系統對復雜度和實時性的要求，同時也不利于大量的數字信號處 理和系統的獨立運行。
[0011] 2、大多數的監測系統難以實現長時間的數據采集，數據的存儲量時常受到制約。 數據采集過程中并行采集多路數據信息也很重要，它對故障的診斷有著重要的意義，然而 很多系統難以實現同步數據的采集。大多數的監測系統數據文件保存部分不完善，后期查 詢故障時很難進行故障分析。 【實用新型內容】
[0012] 為解決現有技術存在的上述問題，本實用新型要設計一種螺桿壓縮機狀態監測與 故障診斷系統，以實現以下目的：
[0013] 1、螺桿壓縮機傳輸信號為模擬信號，需要轉換成數字或脈沖信號進行采集分析；
[0014] 2、需要同時采集設備運行過程中的轉速信息以及軸向和徑向方向上的振動信息。 因此，需要設計多通道并行采集，使其能夠對壓縮機運行時待測點的轉速、旋轉軸兩個方向 上的振動信息進行采集。3、可以獲取足夠的壓縮機運行狀態信息，為多方面、多角度分析判 斷壓縮機的工作狀態，在遠程PC機上能夠實時地、動態地顯示現場螺桿壓縮機運行情況和 各路傳感器采集信號的圖形顯示提供了可能；
[0015] 4、可以獲取壓縮機狀態信息數據，使得后期可查詢歷史數據。
[0016] 為了實現上述目的，本實用新型的技術方案如下：
[0017] -種螺桿壓縮機狀態監測與故障診斷系統，包括加速度傳感器、轉速傳感器、數據 采集卡和PC機;所述的加速度傳感器和轉速傳感器分別通過數據線經數據采集卡連接到PC 機上。
[0018] 所述的加速度傳感器有兩個，分別安裝在測點處的同一個橫截面位置的外殼上， 一個測軸向方向的振動加速度，另一個測徑向方向的振動加速度;所述的轉速傳感器安裝 在電機轉軸末端外側，所述的電機轉軸末端設置一個圓盤，且轉速傳感器激光發射點與圓 盤的圓心在同一水平線上，二者之間的距離為10~20cm，轉速傳感器激光光束對準圓盤的 平面。
[0019] 進一步地，所述的PC機為安裝有螺桿壓縮機運行狀態的監測和故障分析系統的PC 機。
[0020] 進一步地，所述的加速度傳感器為CT1005L ICP/IEPE壓電加速度傳感器。
[0021 ] 進一步地，所述的轉速傳感器為SZGB-7型光電轉速傳感器。
[0022]進一步地，所述的數據采集卡為NI 9234數據采集卡。
[0023] 進一步地，所述的圓盤為環形圓盤，環形圓盤的外圓弧上設置凹槽。
[0024] 進一步地，所述的加速度傳感器通過強磁底座安裝到測點處。
[0025] 與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果：
[0026] 1、由于本實用新型選用NI 9234數據采集卡，其內部置有24位A/D模數轉換器，直 接將采集的模擬信號轉化成實時的數字信號；
[0027] 2、由于本實用新型采用多通道共享模式，設置通道口循環快速掃描采樣，減少了 采集延遲時間；選用的NI 9234采集卡具有四個模擬輸入通道，能夠實現三個通道并行采 集；
【附圖說明】

[0028] 圖1為螺桿壓縮機的六個測點示意圖。
[0029]圖2為本實用新型的結構示意圖。
[0030]圖3為傳感器安裝示意圖。
[0031]圖4為帶有凹槽環形圓盤的平面圖。
[0032]圖5為本實用新型設計方案框圖。
[0033]圖6為本實用新型功能結構原理圖。
[0034]圖7為參數設置界面。
[0035]圖8為時域分析界面。
[0036]圖9為頻域分析界面。
[0037]圖10為數據分析處理界面。
[0038]圖11為數據顯示界面。
[0039] 圖中：1、圓盤，2、加速度傳感器，3、轉速傳感器，4、主動軸，5、從動軸，6、第一測點， 7、第二測點，8、第三測點，9、第四測點，10、第五測點，11、第六測點，12、數據采集卡，13、PC 機。
【具體實施方式】
[0040] 下面結合附圖對本實用新型進行進一步地描述。
[0041] 如圖1-4所示，一種螺桿壓縮機狀態監測與故障診斷系統，包括加速度傳感器2、轉 速傳感器3、數據采集卡12和PC機13;所述的加速度傳感器2和轉速傳感器3分別通過數據線 經數據采集卡12連接到PC機13上。
[0042] 所述的加速度傳感器2有兩個，分別安裝在測點處的同一個橫截面位置的外殼上， 一個測軸向方向的振動加速度，另一個測徑向方向的振動加速度;所述的轉速傳感器3安裝 在電機轉軸末端外側，所述的電機轉軸末端設置一個圓盤1，且轉速傳感器3激光發射點與 圓盤1的圓心在同一水平線上，二者之間的距離為10~20cm，轉速傳感器3激光光束對準圓 盤1的平面。
[0043] 進一步地，所述的PC機13為安裝有螺桿壓縮機運行狀態的監測和故障分析系統的 PC機。
[0044] 進一步地，所述的加速度傳感器2為CT1005L ICP/IEPE壓電加速度傳感器。
[0045] 進一步地，所述的轉速傳感器3為SZGB-7型光電轉速傳感器。
[0046] 進一步地，所述的數據采集卡12為NI 9234數據采集卡。
[0047] 進一步地，所述的圓盤1為環形圓盤1，環形圓盤1的外圓弧上設置凹槽。
[0048] 進一步地，所述的加速度傳感器2通過強磁底座安裝到測點處。
[0049] 如圖1-11所示，本實用新型的工作方法，包括以下步驟：
[0050] A、布置加速度信息采集點
[0051] 根據監測計劃，分時段循環將加速度傳感器2安裝在第一測點6至第六測點11上； 第一測點6為電機的外殼上;第二測點7為壓縮機與電機的連接器外殼上;第三測點8為壓縮 機主動軸4的輸入端機器外殼部位;第四測點9為壓縮機從動軸5與連接器端相連的機器外 殼部位;第五測點10為壓縮機主動軸4末端軸承處;第六測點11為壓縮機從動軸5的末端軸 承處。
[0052] B、采集信息
[0053] 利用加速度傳感器2采集螺桿壓縮機的運行狀態信息，即壓縮機的旋轉軸轉速和 同一測點上的軸向和徑向方向上的振動加速度信號；加速度信號為電壓信號，通過數據采 集卡12進行模數轉換，把采集到的電壓變化信息傳送到PC機13上形成加速度信息。
[0054] 利用轉速傳感器3監測轉速，采用非接觸方式采集轉速信號，通過圓盤1的凹槽作 為轉速傳感器3的觸發標志，獲得一系列的脈沖信號，通過數據采集卡12進行模數轉換，把 采集到的脈沖信息傳送到PC機13上形成轉速信息，直接以顯示控件顯示。采集到的轉速信 息和兩個方向的加速度信息能夠在圖11所示的界面內進行實時記錄。
[0055] C、分析信息
[0056] PC機13采用LabVIEW虛擬儀器設計實現。在開始分析數據時需要先識別無效數據， 會出現"滑雪坡"曲線，即直流偏移量，通過設置多采樣數，使得穩定時間延長，從而減小干 擾。因此設有如圖7所示的參數設置界面，分別在數據采集之前對采樣率、采樣參數以及傳 感器靈敏度進行設置。接下來需要經過處理得到時域波形譜、頻譜、自功率譜、自相關譜、互 相關譜、軸心軌跡和三維瀑布圖等。
[0057] 1、軸心軌跡:根據得到的兩個方向的振動加速度信息，利用簇函數將兩個加速度 信號進行整合連接，當兩個方向的振動強度相等時，則形成規則圓，否則呈橢圓。如圖10中 所示，含有軸心軌跡界面。軸心軌跡顯示的是軸心在軸承內的移動情況。
[0058] 2、時域波形:將采集的兩個方向的振動加速度信息直接連接波形圖控件，可觀察 到時間、相位和幅值信息，形成實時波形。如圖8所示，即能獲得轉速數值以及兩個方向的振 動加速度波形。
[0059] 3、如圖9所示，含有自功率譜和頻譜分析波形。以下分別對二者進行分析：（1)、頻 譜：按下式計算時間信號的FFT，使時間信號的當前FFT頻譜與前一次平均過程重置后的最 后一次計算得到的FFT頻譜進行平均，返回平均頻譜的幅度和相位。Fs為采樣頻率，采樣點 數為N，經過FFT之后就是一個為N點的復數，每一個點對應一個頻率點，通過計算各個點頻 率值組合成頻譜：
[0060] Fn=(n_l)*Fs/N
[0061] Fn能分辨到的頻率為Fs/N。若出現兩倍行頻分量則可能出現轉軸偏心的問題。 (2)、自功率譜:輸入信號為時域信號，通過以下函數式進行計算：
[0062] 功率譜
[0063 ] η是信號中點的個數，*表示復共輒。經過自功率函數控件計算后，逐點繪制成自功 率譜，在波形圖中顯示。
[0064] 4、如圖10所示，為數據分析界面，其中含有自相關波形、互相關波形、軸心軌跡、瀑 布圖等分析圖譜。
[0065] (1)、自相關和互相關分析譜：函數x(t)的自相關Rxx(t)定義如下： 〇〇
[0066] i?xx (t) = x (t)?x [χ{τ)χ{?·^-τ)?? -'CG
[0067] 珍代表相關，測得兩個方向的振動加速度分析后的自相關譜，能夠描述時域的變化 狀態。互相關分析計算得到兩個時域之間的協方差，從而得到兩個方向的振動加速度在不 同位置上的匹配程度。若匹配程度較低，則說明轉軸出現問題，否則沒有問題。
[0068] (2)、瀑布圖：直接利用三維瀑布圖控件，分別將兩個方向的加速度信號和轉速信 號作為x、y、z三個方向進行三維繪制，則可得到關于三者的立體變化圖。若立體圖不規則， 說明轉軸出現問題，可能出現偏離或者彎曲的故障。
[0069] 本實用新型的設計使得硬件采集部分與PC機軟件分析部分緊密結合，利用加速度 傳感器2分別對壓縮機的不同測點進行監測，即可得到各組測點的運行狀態信息及診斷結 果。
[0070] 本實用新型需要同時采集設備運行過程中的轉速信息以及軸向和徑向方向上的 振動信息。因此，需要設計多通道并行采集，使其能夠對壓縮機運行時待測點的轉速、旋轉 軸兩個方向上的振動信息進行綜合分析處理，從而得到分析所需要的圖譜。
[0071] 由于本實用新型PC機設置高采樣率、高靈敏度，使得采集到的信號形成準確的波 形圖譜。本實用新型對信號進行了 FFT功率譜、FFT功率譜密度、FFT幅值譜和FFT相位譜分 析，主要是通過快速傅里葉變換以及漢明窗等函數的應用形成清晰的圖譜，并形成軸心軌 跡和瀑布圖；利用軸系同一截面上兩路相互垂直的振動信號合成軸心軌跡來監測其運行狀 態和故障類型，而瀑布圖和趨勢分析主要是根據其分析壓縮機的狀態的運行情況。即實現 了實時顯示數據信息，也實現了多方面、多角度的對設備進行工作狀態分析。
[0072]由于本實用新型在PC機設置了數據庫系統，通過LabVIEW設置顯示表格，并設置1/ 〇文件輸出路徑，將采集的數據以文件形式保存，可用于歷史故障分析。
[0073] 綜上所述，本實用新型實現了對轉速、加速度信號的同步采集，能夠在PC機上實時 顯示壓縮機測點的轉速，以及相互垂直方向的振動加速度信息，得到時域波形、頻域分析等 圖譜，形成診斷報告。并且，通過對壓縮機六個測點的信號進行分析，能夠更加準確的獲得 其運行狀態報告，從而更有利于診斷其是否出現故障以及判別故障類型。能夠判斷出很多 螺桿壓縮機故障信息類型，例如軸承損壞或轉子故障、部件出現松動、扇葉損壞、電機或主 機軸承損壞、壓縮機組基礎地腳松動或在本區域內有其他設備與機組產生共振等問題。本 實用新型能夠多方面的進行監測分析。
[0074] 本實用新型不局限于本實施例，任何在本實用新型披露的技術范圍內的等同構思 或者改變，均列為本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1. 一種螺桿壓縮機狀態監測與故障診斷系統，其特征在于:包括加速度傳感器(2)、轉 速傳感器(3 )、數據采集卡（12)和PC機(13);所述的加速度傳感器(2)和轉速傳感器(3)分別 通過數據線經數據采集卡(12)連接到PC機(13)上； 所述的加速度傳感器(2)有兩個，分別安裝在測點處的同一個橫截面位置的外殼上，一 個測軸向方向的振動加速度，另一個測徑向方向的振動加速度;所述的轉速傳感器(3)安裝 在電機轉軸末端外側，所述的電機轉軸末端設置一個圓盤（1)，且轉速傳感器(3)激光發射 點與圓盤（1)的圓心在同一水平線上，二者之間的距離為10~20cm，轉速傳感器(3)激光光 束對準圓盤(1)的平面。2. 根據權利要求1所述的一種螺桿壓縮機狀態監測與故障診斷系統，其特征在于:所述 的加速度傳感器(2)為CT1005L ICP/IEPE壓電加速度傳感器。3. 根據權利要求1所述的一種螺桿壓縮機狀態監測與故障診斷系統，其特征在于:所述 的轉速傳感器(3)為SZGB-7型光電轉速傳感器。4. 根據權利要求1所述的一種螺桿壓縮機狀態監測與故障診斷系統，其特征在于:所述 的數據采集卡（12)為NI 9234數據采集卡。5. 根據權利要求1所述的一種螺桿壓縮機狀態監測與故障診斷系統，其特征在于:所述 的圓盤(1)為環形圓盤(1)，環形圓盤(1)的外圓弧上設置凹槽。6. 根據權利要求1所述的一種螺桿壓縮機狀態監測與故障診斷系統，其特征在于:所述 的加速度傳感器(2)通過強磁底座安裝到測點處。
【文檔編號】F04C28/28GK205714773SQ201620554943
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】趙鳳強, 王峰
【申請人】大連民族大學